Перспективы использования сетей сотовой связи для обнаружения воздушных целей
Регулярно так происходит, что тему для очередной статьи мне подбрасывают посетители сайта «Военное обозрение». Так случилось и в этот раз, в публикации, посвященной проблематике своевременного обнаружения вражеских БПЛА, один из читателей написал буквально следующее:
Ещё с 2018 года идут научно-исследовательские работы по использованию сигналов сотовой связи, отражённых от дронов, в системах пассивной радиолокации для обнаружения БПЛА. Никто не мешает в военных целях мобилизовать инфраструктуру сотовой связи, тем более что украинцы уже это делают.
Также на Военном обозрении недавно вышла интересная и грамотная публикация Некоторые задачи акустической локации дронов: почему звук — не радио .
Учитывая злободневность повестки, в рамках своей компетенции, опираясь на открытые источники, попробую максимально доступно разобраться в том, насколько сети сотовой связи пригодны для обнаружения летательных аппаратов вообще и БПЛА в частности. Также будет рассмотрена хронология опытно-конструкторских разработок в этом направлении и чем они завершились.
Пассивная, бистатическая и мультистатическая радиолокация
Для того чтобы понять, как инфраструктуру мобильной связи различных стандартов теоретически можно использовать для обнаружения объектов, перемещающихся в воздушном пространстве, стоит разобраться в терминологии и немного рассказать о том, что такое радиолокация вообще, чем пассивная радиолокация отличается от бистатической и мультистатической.
Разные способы радиолокационного обнаружения летательных аппаратов
Наиболее распространенными являются активные радиолокаторы (рис. а), излучающие в пространство и принимающие сигнал, отраженный от цели. Антенна такого радара формирует узкий (1-6°) в азимутальной плоскости луч с импульсами электромагнитного излучения. Сканирование луча в пространстве может быть круговым или секторным в вертикальной или горизонтальной плоскости. Если в луч попадает воздушная цель, приёмная часть станции получает отражённые от неё импульсы, на основании чего определяется направление на цель. Таким образом, азимут определяется при проходе луча по цели, а дистанция до неё вычисляется по временной задержке отраженных импульсов относительно зондирующего импульса.
При управлении движением гражданских воздушных судов широко используются транспондеры, транслирующие ответные сигналы после получения кодированного запроса (рис. б). По такому же принципу работают системы государственного опознавания, но самостоятельно видеть воздушные цели без обработки ответного сигнала они не способны.
Пассивные радиолокаторы (рис. в) сами не излучают электромагнитные волны, а принимают сигналы, транслируемые летательными аппаратами, например, фиксируют работу бортового радиолокатора, средств связи и радиовысотомера. Важным достоинством пассивных РЛС является то, что они не демаскируют себя высокочастотным излучением, их не видят средства радиотехнической разведки противника и на них невозможно навести противорадиолокационные ракеты.
Для более точного определения местоположения, курса и скорости цели обычно используется несколько пассивных приёмников, разнесённых на местности, информация с которых поступает на командный пункт, где методом триангуляции происходит вычисление параметров наблюдаемого объекта. Также используется метод непосредственного измерения задержки прихода импульсов на каждой приёмной позиции.
Пионером в области пассивной радиолокации среди государств, входивших в Варшавский договор, была Чехословакия, где в 1963 году в опытную эксплуатацию ввели станцию PRP-1.
Аппаратная пассивной чехословацкой РЛС PRP-1
Три приёмные аппаратные на грузовом шасси Praga V3S, разнесённые на местности (одна центральная и две боковых), позволяли с приемлемой точностью определять координаты и курс источников радиосигналов в полосе частот 1 000 – 2 000 МГц (частотный диапазон D), 4000-8000 МГц (G/Н), 8000-20000 МГц (I/J), а также транспондеров IFF и TACAN, работающих на частоте 1090 МГц. Фиксация радиосигналов на экране станции происходила оператором вручную, информация о цели голосом передавалась на мобильный пункт обработки информации по радиосети. После чего на основании имеющихся данных происходило вычисление положения и курса цели. Аппаратура системы PRP-1 могла одновременно сопровождать 6 воздушных судов. Пассивная поисковая система PRP-1 находилась в работе до 1979 года.
Опыт эксплуатации станции PRP-1 был признан успешным, после чего чехословацкая фирма Tesla спроектировала и серийно выпускала пассивные радиолокационные системы KRTP-81 «Ramona», KRTP-81М «Ramona-М», KRTP-86 «Tamara» и КРТП-91 «Tamara-М».
Элементы радиотехнической системы «Tamara» размещались на восьми грузовиках Tatra T815 с колесной формулой 8х8. Пассивные датчики-пеленгаторы цилиндрической формы поднимались при помощи гидравлического привода на высоту до 25 м. На боевой позиции приемные устройства находились на удалении друг от друга 10–35 км.
Антенный пост РТС KRTP-86 «Tamara» с гидравлическим подъемником
РТС «Tamara» была способна работать по самолётам тактической (палубной) авиации, стратегическим бомбардировщикам, самолётам ДРЛО, радиотехнической разведки и постановщикам помех. Приёмная аппаратура могла обнаруживать излучение бортовых радиолокаторов, передатчики системы «свой-чужой», навигационные сигналы TACAN, дальномеры системы DME, системы обмена тактической информацией JTIDS, а также генераторы активных помех, работающие в диапазоне 0,82–18 ГГц.
В ходе войсковых испытаний, проводимых на границе с ФРГ, аппаратура пассивной пеленгации KRTP-86 обнаруживала цель типа F-16А на дальности 400 км, F-15А — 365. Истребители предыдущего поколения типа F-4Е засекались на отметке 395 км, F-104G — 425 км. Дальность обнаружения самолётов-постановщиков помех и ДРЛО находилась в пределах радиогоризонта. Вычислительный комплекс системы «Tamara» мог сопровождать до 72 целей в секторе 100°. Обновлённая радиотехническая система КРТП-91 «Tamara-М» имела улучшенные средства отображения и обработки информации и была способна работать по целям в секторе 120°.
До распада ОВД компания Tesla построила 23 комплекса радиотехнической разведки семейства «Tamara». Согласно западным данным, в СССР было поставлено 15 систем, в ГДР — 1 система, а Чехословакия приняла на вооружение 4 пассивных РЛС. В 1991 году США удалось заполучить одну модернизированную KRTP-91, приобретя ее через Оман.
Работы по созданию пассивных радиолокаторов также велись в СССР. В 1987 году на донецком заводе «Топаз» началось производство станций радиотехнической разведки «Кольчуга». Аппаратура мобильной станции пассивной радиотехнической разведки «Кольчуга» размещалась в трёх фургонах на шасси КрАЗ-260.
Аппаратные станции пассивной радиотехнической разведки «Кольчуга»
Система «Кольчуга» может с высокой точностью определять координаты наземных и надводных целей в пределах дистанции распространения излучаемых ими радиосигналов и маршруты их движения. Для воздушных целей, летящих на высоте 10 км, дальность обнаружения достигает 800 км. Станция способна не только обнаруживать, но и распознавать наземные и воздушные цели. В памяти системы записаны различные образцы предполагаемых целей.
Но при всех своих достоинствах пассивные станции являются дополнением к активным радиолокаторам, генерирующим высокочастотное излучение, и они не способны обнаружить воздушную цель, идущую в режиме полного радиомолчания. ПЛПС имеют невысокую точность определения координат летательных аппаратов, в силу чего их нельзя использовать для непосредственной выдачи целеуказания средствам противовоздушной обороны, и они могут применяться только для первичного обнаружения, требующего дополнительной доразведки и уточнения воздушной обстановки.
В бистатическом радаре передающие и приёмные антенны разнесены на значительное расстояние, что, например, иногда используется в загоризонтных радиолокаторах.
Схема работы бистатического радиолокатора
Зондирующий сигнал от передатчика отражается от цели и достигает приёмной антенны. При этом приёмная аппаратура анализирует не только отражённый сигнал, но и прямой — тот, что пришёл напрямую от передатчика. Разница во времени прихода этих двух сигналов позволяет вычислить расстояние «передатчик-цель» и «цель-приёмник», а значит, и координаты цели.
Система, состоящая из нескольких разнесенных в пространстве бистатических радиолокационных компонентов с общей зоной покрытия, называется мультистатическим радаром, состоящим как минимум из трех компонентов — например, одного приемника и двух передатчиков, или двух приемников и одного передатчика, или нескольких приемников и нескольких передатчиков. При этом один или несколько приемников обрабатывают сигналы, отраженные цели, транслируемые от одного или нескольких географически удаленных передатчиков. Таким образом, радиолокационную сеть, построенную на основе передатчиков сотовой связи, можно считать мультистатической.
Проекты создания радиолокационных систем обнаружения воздушных целей на базе станций сотовой связи
Уже в далёком 2002 году транснациональная аэрокосмическая корпорация BAE Systems заключила контракт с британской компанией Roke Manor Research на доводку до стадии практического использования системы Celldar (от англ. CELLular raDAR – Сотовый радар). В 2003 году в ходе тестов оборудования, разработанного специалистами Roke Manor Research и состоящего из приёмного устройства, выносной антенны и ноутбука со специальным программным обеспечением, руководству британского военного ведомства была продемонстрирована способность обнаружения воздушных и наземных объектов в зоне работы передатчиков сети GSM. Однако в ходе испытаний выяснилось, что дальность действия приёмной аппаратуры зависит от многих меняющихся факторов и она не обеспечивает надёжного обнаружения объектов во всём диапазоне высот и скоростей. В связи с чем эта тема не получила дальнейшего развития. Впрочем, судя по имеющейся информации, наработки в области программного обеспечения, полученные при создании системы Celldar, в целях «борьбы с терроризмом» были использованы для точного определения координат устройств мобильной связи.
Тестирование возможности двойного применения сигналов, излучаемых базовыми станциями сотовой связи, также осуществлялось в Белорусском государственном университете информатики и радиотехники, американской корпорацией Lockheed-Martin, израильской компанией Elta Systems и европейским концерном EADS. Однако все разработчики пришли к выводу о бесперспективности данного направления, и дальше создания опытных образцов дело не продвинулось.
Исследования в этом направлении также велись у нас. Так, осенью 2016 года в российских СМИ появилась информация, что специалисты Московского НПП «Кант» разработали специализированный радиолокационный комплекс для обнаружения, сопровождения и выдачи целеуказания по малоразмерным целям и низковысотным крылатым ракетам, летящим со скоростями до 500 м/с и на высотах до 500 м.
Сообщалось, что концептуально новое изделие опиралось на идею, предложенную сотрудниками АО «Научно-технический центр радиоэлектронной борьбы» (НТЦ РЭБ) при разработке системы «Поле-21». Система «Поле-21» с передатчиками Р-340РП предназначена для формирования на большой территории шумовых помех, препятствующих работе спутниковых навигационных систем GPS, ГЛОНАСС, Galileo, BeiDou. Первоначально для размещения излучающих антенн предполагалось использовать существующую сеть вышек сотовой связи и объединить многочисленные «отлично защищённые» командно-диспетчерские посты системы «Поле-21» с антеннами, приёмниками, вычислительным комплексом и средствами связи мультистатического радиолокационного комплекса обнаружения воздушных целей.
Стоит сказать, что мобильная система РЭБ «Поле-21» с аппаратурой, размещённой в фургонах на базе полноприводных грузовых автомобилей КамАЗ-5350 или КамАЗ-6350, выпускается серийно и демонстрирует неплохую эффективность. Согласно открытым источникам, один передатчик Р-340РП с излучаемой мощностью до 1000 Вт способен подавлять спутниковые навигационные сигналы в радиусе 20–25 км. Каждый пост системы включает один фургон с аппаратурой и до трех антенных модулей.
Но идея размещения антенных модулей системы «Поле-21» на вышках сотовой связи, используемых также для обнаружения воздушных целей, в силу неразрешимых организационных и технических проблем реализована не была.
Даже если не брать во внимание то, как специалисты Московского НПП «Кант» собирались обеспечить устойчивость к массированному применению средств воздушного нападения и помехозащищённость приёмников в условиях организованных помех и их радиоэлектронную совместимость, надёжность и дублирование каналов связи, обеспеченность автономными источниками электропитания и взаимодействие с существующими средствами освещения воздушной обстановки и сетями оповещения, изначально в предлагаемой мультистатической радиолокационной системе, построенной на основе базовых станций сотовой связи, имелись непреодолимые изъяны. Как известно, сотовые сети не сканируют пространство, а их антенны имеют неподвижные диаграммы направленности шириной 60–120°. Дальность и местоположение телефона определяется анализом временной задержки при нахождении в зоне действия нескольких станций, и чем их больше, тем выше точность измерения. Также телефон сам может передавать «метку» с реальным временем.
Чёрное пятно – приблизительное место нахождения телефона, определённое при помощи трёх базовых станций
Но для того, чтобы точно определить местоположение телефона, он должен быть зарегистрирован в сети и включен. Базовая станция отправляет сигнал конкретному абоненту, и только он должен дать ей ответ. То есть в сети мобильной связи, как и в гражданских радиолокационных станциях управления воздушным движением, используется принцип радиолокации с активным ответом. Если на борту летательного аппарата не имеется активного устройства, работающего с симкой именно этого оператора, то обнаружить его не удастся. В прошлом для подключения к интернету на ударные БПЛА иногда действительно ставились мобильные устройства связи с SIM-картами сотовых операторов, работающих в местности, где находились объекты атаки, и базовые станции теоретически могли бы использоваться для обнаружения таких дронов-камикадзе. Однако в настоящее время от беспилотников с «симками» на борту практически отказались. Таким образом, радиолокация с активным ответом для обнаружения вражеских БПЛА бесполезна.
Ещё одна проблема состоит в том, что структура сигналов стандартов GSM (2G), UMTS (3G), LTE (4G) содержит дискретные битовые, слоговые и кадровые составляющие, а зондирующего импульса в них нет как такового. Такие сигналы ближе к сигналу квазинепрерывного излучения, но их импульсы немодулированы, неманипулированы, что делает невозможным измерение дистанции до цели.
Теоретически с помощью передатчиков сотовой связи и пассивного приёмника обнаружить воздушную цель также возможно методом «затенения» (экранирования), когда используется эффект прерывания приёма высокочастотного радиосигнала объектом, находящимся между передающим и приёмным устройством. Этот эффект был открыт в 1897 году А. С. Поповым, когда между двумя кораблями, ведущими обмен сообщениями по радиотелеграфу, случайно вклинился третий. Но для приемлемого измерения координат, скорости и идентификации летательных аппаратов это не подходит. Получить удовлетворительный результат при использовании нескольких передающих станций и одного приёмного устройства технически невозможно, а строительство сети пассивных радаров и их коммуникация с высокопроизводительными вычислительными мощностями является делом слишком затратным и не имеет каких-либо преимуществ перед имеющимися обзорными радиолокаторами ПВО.
Крупным препятствием в использовании сетей сотовой связи для мультистатического радиолокационного обнаружения является низкая мощность, излучаемая базовой станцией. Так, в сети 4G (4-го поколения), работающей на частотах 800–2100 МГц, мощность сигнала составляет 40–60 Вт. За городом обычно используются базовые станции, работающие на частоте 800 МГц, обеспечивающие радиус покрытия на равнинной местности не более 30 км.
Наличие естественных и искусственных неровностей, а также высоких деревьев сильно затрудняет прохождение сигнала.
Здесь будет уместно сравнить характеристики передатчика базовой станции 4G с отечественным мобильным радиолокатором 39Н6 «Каста-2-2», специально разработанным для выявления маловысотных воздушных целей и являющимся достаточно действенным средством обнаружения БПЛА самолётного типа.
РЛС 39Н6 «Каста-2-2»
Двухкоординатная РЛС 39Н6 «Каста-2-2» дециметрового диапазона была создана в конце 1980-х, но её массовые поставки в войска начались уже после распада СССР. Согласно открытым источникам экспортная модификация известная как 39Н6Е «Каста-2Е2» имеет импульсную мощность 40 кВт. Дальность обнаружения цели с ЭРП 2 м² летящей на высоте 100 м при использовании штатной мачты высотой 14 м составляет более 40 км. При подъёме антенны на высоту 50 м – 55 км. Потолок – 6 км. Имеется возможность одновременного сопровождения 40 целей. Обновление информации происходит через 5 или 10 секунд (в зависимости от скорости вращения антенны). Ширина луча (диаграммы направленности) РЛС «Каста-2-2» по азимуту составляет 5,5°. При условии, что антенна базовой станции распределяет свою энергию на 120° (при мощности 60 Вт) на цель придёт сигнал, который будет в тысячи раз меньше, чем от специально спроектированного обзорного радиолокатора. Ответный сигнал отраженный от цели в приёмнике мультистатического радиолокационного комплекса будет слабей на 4-5 порядков, чем в приёмнике РЛС «Каста-2-2», что безусловно крайне негативно скажется на дальности обнаружения.
Исходя из вышесказанного, можно констатировать, что значения мощности, диаграммы направленности антенн и режимы излучения базовых станций делают проект системы радиолокационного обнаружения на основе сетей мобильной связи труднореализуемым, если не сказать — заведомо провальным.
Впрочем, это не означает, что мультистатические радары, опирающиеся на гражданские источники высокочастотного излучения, не имеют перспектив практического применения. Гораздо более многообещающими, чем сети сотовой связи, в этом отношении выглядят широко распространённые коммерческие радиостанции FM-диапазона, работающие на ультракоротких волнах в частотном интервале от 87,5 до 108 МГц. Небольшие радиостанции, вещающие на населённые пункты, имеют мощность передатчика 0,1–1 кВт. Но также существуют радиостанции, покрывающие мегаполисы и большие зоны охвата за городом, с мощностью передатчиков до 50 кВт. Дальность уверенного приёма таких мощных станций с антеннами, поднятыми на высоту более 100 м, может превышать 70 км.
Даже более подходящими для мультистатической радиолокации, чем FM-радиостанции, являются передатчики цифрового эфирного телевидения стандарта DVB-T2, для которых выделен дециметровый диапазон 470–860 МГц. Для покрытия «слепых зон» и в малых населённых пунктах используются передатчики мощностью 10–100 Вт, в средних городах и пригородах работают станции мощностью 250–1000 Вт.
Антенны мощных станций (до 5 кВт) с зоной вещания до 80 км устанавливаются на вышки высотой до 250 м. Самой высокой телевизионной вышкой в России (540 м) является Останкинская телебашня.
В свободном доступе опубликована информация, что израильская компания Elta Systems разработала систему обнаружения, состоящую из множества малогабаритных антенн и приёмных блоков.
Эхо-сигнал от местных телерадиовещательных станций одновременно принимается несколькими СВЧ-приёмниками, проходит предварительную аппаратную обработку, оцифровывается и передаётся в вычислительный центр, где производится анализ воздушной обстановки.
Похожую аппаратуру разработала немецкая корпорация Hensoldt AG. Радар, получивший обозначение Twinvis, должен обнаруживать летательные аппараты по сигналам, отраженным от передатчиков гражданских теле- и радиостанций.
Для распределенного приёма сигналов используются модули контейнерного типа, которые транслируют полученную информацию в единый диспетчерский центр, где происходит обработка данных.
Американская корпорация Lockheed Martin испытывала свой опытный радиолокационный комплекс Silent Sentry.
Было заявлено, что американский «Безмолвный страж» продемонстрировал хорошие результаты и даже видел самолёты, построенные по технологии «Стелс». Однако информации о принятии на вооружение и серийном производстве этого радиолокационного комплекса нет. В американских источниках говорится, что радиолокаторы дежурного режима, функционирующие на территории США, вполне удовлетворяют требованиям Командования воздушно-космической обороны Северной Америки (NORAD), а для использования экспедиционными силами РЛК Silent Sentry малопригоден. Эксперты отмечают, что для работы комплексов такого типа требуется «подсветка» от источников высокочастотного излучения, работоспособность которых в зоне боевых действий сомнительна. В то же время подобные радары могут использоваться для обслуживания малых гражданских аэродромов, не имеющих другого радиолокационного оборудования.